CN107786032B - 一种应用于船舶无轴推进器的磁轴承装置 - Google Patents
一种应用于船舶无轴推进器的磁轴承装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种应用于船舶无轴推进器的磁轴承装置，包括推进器壳体、定子和转子，推进器壳体的侧壁内表面两端固定有两个第一夹紧块；定子的两端卡接于两个第一夹紧块之间，定子的侧壁内表面固定有霍尔传感器，定子中部嵌入有转矩线圈，定子的侧壁设有三组励磁绕组，在定子上增加励磁绕组，在转子上产生一个抵消转子所受重力的上浮力，在转子与定子中间建立一个径向磁力轴承，该径向磁力轴承并不完全取代水润滑轴承，只用于改善原有轴承的运行状态，该径向磁力轴承解决水润滑轴承在起停和低转速状态时存在的边界润滑和干摩擦问题，在运行过程中又能改善水润滑轴承的运行工况，保证既推进器运行的可靠性，且具有控制简单，运行可靠的特点。
Description
技术领域
本发明属于磁轴承领域，涉及一种应用于船舶无轴推进器的磁轴承装置。
背景技术
船舶无轴推进器采用新颖的电机***驱动，完全取消了推进轴，对于船舶推进而言，是一个革命性的技术进步。现在的船舶无轴推进器多采用赛龙水润滑滑动轴承，由于水润滑轴承对材料性能要求较高，目前我国此类轴承材料主要依赖进口。
专利申请号为201410558863.0的发明专利公布了一种船用永磁电机推进器螺旋桨，该螺旋桨通过永磁电机提供动力，不需要轴承和润滑油，可以降低传动噪音，但是由于永磁电机中的利用水润滑轴承在起停和低转速状态时存在的边界润滑和干摩擦问题，同时由于转子自身具有重力，需要控制转子的重力影响，控制过程复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于船舶无轴推进器的磁轴承装置，该装置通过在定子上增加一套励磁线圈，根据磁力作用原理，在转子上产生一个抵消转子所受重力的上浮力，在转子与定子中间建立一个径向磁力轴承，该径向磁力轴承并不完全取代水润滑轴承，只用于改善原有轴承的运行状态，该径向磁力轴承解决水润滑轴承在起停和低转速状态时存在的边界润滑和干摩擦问题，在运行过程中又能改善水润滑轴承的运行工况，这样既保证推进器运行的可靠性，且具有控制简单，运行可靠的特点。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种应用于船舶无轴推进器的磁轴承装置，包括推进器壳体、定子和转子，推进器壳体的侧壁内表面两端固定有两个第一夹紧块，两个第一夹紧块的一端固定有两个第二夹紧块，两个第二夹紧块固定于推进器壳体的两端；
所述定子的两端卡接于两个第一夹紧块之间，定子的侧壁内表面固定有霍尔传感器，定子中部嵌入有转矩线圈，定子的侧壁缠绕固定有三组励磁绕组；
所述转子套设于定子内部，转子的两端面与两个第二夹紧块之间固定有两个轴向水润滑轴承，转子的两端侧壁外表面与两个第二夹紧块之间固定有两个径向水润滑轴承，轴向水润滑轴承和径向水润滑轴承均固定于第二夹紧块上，轴向水润滑轴承和径向水润滑轴承与转子之间有间隙，转子上嵌装有永磁铁，永磁铁与转矩线圈之间有间隙，转子的侧壁内表面均布有若干推动器桨叶。
进一步地，所述推动器壳体包括圆筒体外壳，圆筒体外壳的两端侧壁向内倾斜折弯形成锥形筒壁，锥形筒壁的底端竖直固定有固定筒，第二夹紧块固定于固定筒的底面，并且第二夹紧块与定子的侧壁内表面压紧相接，固定筒和圆筒体外壳同轴心，圆筒体外壳的侧壁内表面两端开有环形固定槽，环形固定槽中固定有第一夹紧块，第一夹紧块与定子的两端压紧相接。
进一步地，所述第一夹紧块包括第一固定圈，第一固定圈与圆筒体外壳同轴心，第一固定圈卡接在固定槽内并通过螺钉固定于固定槽中，第一固定圈的内圈垂直折弯形成第一连接圈，第一连接圈的一端垂直向内折弯形成第二固定圈，定子的两端与第二固定圈的端面夹紧相接。
进一步地，所述第二夹紧块包括第三固定圈，第三固定圈通过螺钉固定于固定筒底面，第三固定圈的外圈垂直折弯形成第四固定圈，第四固定圈与第三固定圈连接处的一端侧壁外表面垂直固定有第五固定圈，定子的侧壁内表面两端与第四固定圈的侧壁外表面夹紧相接。
进一步地，所述三组励磁绕组包括第一励磁绕组和两个第二励磁绕组，第一励磁绕组设置于定子的侧壁正下端，两个第二励磁绕组位于第一励磁绕组的两侧，两个第二励磁绕组设置于定子的侧壁上，同时每个第二励磁绕组与第一励磁绕组到定子轴心的圆心角均为60度。
本发明的有益效果：
本发明的船用无轴推进器采用内转子式永磁电机，永磁电机转子上嵌入永磁铁，桨叶固定在内转子上，定子为线圈，根据船舶无轴推进器的结构特性，可以利用其转子上布置的永磁铁，通过在定子上增加励磁绕组，根据磁力作用原理，在转子上产生一个抵消转子所受重力的上浮力，在转子与定子中间建立一个径向磁力轴承，该径向磁力轴承并不完全取代水润滑轴承，只用于改善原有轴承的运行状态，该径向磁力轴承解决水润滑轴承在起停和低转速状态时存在的边界润滑和干摩擦问题，在运行过程中又能改善水润滑轴承的运行工况，这样既保证推进器运行的可靠性，且具有控制简单，运行可靠的特点。
本发明使用3个励磁绕组，依靠永磁体和励磁线圈产生的斥力使转子上浮，采用霍尔传感器实现转子角度检测，根据转子角度，通过控制3个励磁绕组的电流，能够抵消磁场在转子上产生的转矩和水平方向的受力，使得轴承励磁不影响电机的转矩控制，不改变电机的原有控制。
本发明中的3个励磁绕组都布置在定子的下部，励磁磁场与转子永磁体产生斥力，这样充分利用斥力大小随绕组与定子永磁体距离变小而增大的特性，使得上浮力具备一定的自适应控制能力，使得励磁电流控制简化。
本发明轴承励磁电路采用PWM控制，提高脉动的频率，减小脉动的幅度。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明船舶无轴推进器的磁轴承装置结构示意图；
图2为本发明定子和转子结构示意图。
具体实施方式
一种应用于船舶无轴推进器的磁轴承装置，如图1和图2所示，包括推进器壳体1、定子2和转子3，推进器壳体1为筒体结构，推进器壳体1的侧壁内表面两端固定有两个第一夹紧块4，两个第一夹紧块4的一端固定有两个第二夹紧块5，两个第二夹紧块5固定于推进器壳体1的两端；
所述定子2的两端卡接于两个第一夹紧块4之间，定子2的侧壁内表面与两个第二夹紧块5的顶面压紧相接；定子2的侧壁内表面固定有霍尔传感器8，定子2中部嵌入有转矩线圈10，定子2的侧壁缠绕固定有三组励磁绕组11，励磁绕组11连接PWM控制芯片，通过PWM控制励磁电路提高脉动的频率，减小脉动的幅度；
所述转子3套设于定子2内部，转子3的两端面与两个第二夹紧块5之间固定有两个轴向水润滑轴承6，转子3的两端侧壁外表面与两个第二夹紧块5之间固定有两个径向水润滑轴承7，轴向水润滑轴承6和径向水润滑轴承7均固定于第二夹紧块5上，转子3上嵌装有永磁铁，永磁铁与转矩线圈10之间有间隙，转子3的侧壁内表面均布有若干推动器桨叶9，相邻的桨叶9和相对的桨叶9之间均有间隙，通过定子2上的转矩线圈10通电后产生磁场，转子3的表面固定有永磁体，转子3由于切割磁力线产生涡电流，涡电流进而产生反感磁场，从而产生旋转扭矩，实现转子3转动，通过转子3的转动带动推动器桨叶9的转动实现船舶的运行；
所述推进器壳体1包括圆筒体外壳101，圆筒体外壳101的两端侧壁向内倾斜折弯形成锥形筒壁102，锥形筒壁102的底端竖直固定有固定筒103，第二夹紧块5固定于固定筒103的底面，并且第二夹紧块5与定子2的侧壁内表面压紧相接，固定筒103和圆筒体外壳101同轴心，圆筒体外壳101的侧壁内表面两端开有环形固定槽，环形固定槽中固定有第一夹紧块4，第一夹紧块4与定子2的两端压紧相接。
所述第一夹紧块4包括第一固定圈401，第一固定圈401与圆筒体外壳101同轴心，第一固定圈401卡接在固定槽内并通过螺钉固定于固定槽中，第一固定圈401的内圈垂直折弯形成第一连接圈402，第一连接圈402的一端垂直向内折弯形成第二固定圈403，定子2的两端与第二固定圈403的端面夹紧相接；
所述第二夹紧块5包括第三固定圈501，第三固定圈501通过螺钉固定于固定筒103底面，第三固定圈501的外圈垂直折弯形成第四固定圈502，第四固定圈502与第三固定圈501连接处的一端侧壁外表面垂直固定有第五固定圈503，第五固定圈503通过螺钉固定于第二固定圈403的表面；轴向水润滑轴承6固定于第三固定圈501的一端面，轴向水润滑轴承6位于转子3的两端且与转子3之间有间隙，径向水润滑轴承7固定于第四固定圈502的侧壁内表面，径向水润滑轴承7位于转子3侧壁外表面两端且与转子3之间有间隙，定子2的侧壁内表面两端与第四固定圈502的侧壁外表面夹紧相接，通过第二固定圈203和第四固定圈502对定子2进行固定，同时由于轴向水润滑轴承6和径向水润滑轴承7与转子3之间有间隙，使得冷却水可以与水润滑轴承充分接触有利于轴承的润滑工作；
所述三组励磁绕组11包括第一励磁绕组1101和两个第二励磁绕组1102，第一励磁绕组1101设置于定子2的侧壁正下端，两个第二励磁绕组1102位于第一励磁绕组1101的两侧，两个第二励磁绕组1102设置于定子2的侧壁上，同时每个第二励磁绕组1102与第一励磁绕组1101到定子2轴心的圆心角均为60度；转子3上布置的永磁铁，通过在定子2上增加励磁绕组11，根据磁力作用原理，在转子3上产生一个抵消转子3所受重力的上浮力，在转子3与定子2中间建立一个径向磁力轴承，该径向磁力轴承并不完全取代水润滑轴承，只用于改善原有轴承的运行状态，该径向磁力轴承解决水润滑轴承在起停和低转速状态时存在的边界润滑和干摩擦问题，在运行过程中又能改善水润滑轴承的运行工况，这样保证既推进器运行的可靠性，且具有控制简单，运行可靠的特点；同时依靠转子3上的永磁体和励磁绕组11产生的斥力来使转子3上浮，采用霍尔传感器实现转子角度检测，根据转子3角度，通过控制三组励磁绕组11的电流，能够相互抵消磁场在转子3上产生的转矩和水平方向的受力，使得轴承励磁不影响电机的转矩控制，不改变电机的原有控制。
所述无轴推进器的磁轴承装置工作过程为：
(1)定子2上的转矩线圈10通电后产生磁场，转子3的表面固定有永磁体，转子3由于切割磁力线产生涡电流，涡电流进而产生反感磁场，从而产生旋转扭矩，实现转子3转动，通过转子3的转动带动推动器桨叶9的转动实现船舶的运行；
(2)定子2的侧壁正下端设置三组励磁绕组11，由于励磁绕组11产生的磁场与转子上的永磁铁相互作用，在转子3上产生一个抵消转子3所受重力的上浮力，从而在转子3与定子2中间建立一个径向磁力轴承，该径向磁力轴承并不完全取代水润滑轴承，只用于改善原有轴承的运行状态，该径向磁力轴承解决水润滑轴承在起停和低转速状态时存在的边界润滑和干摩擦问题，在运行过程中又能改善水润滑轴承的运行工况，这样保证既推进器运行的可靠性，且具有控制简单，运行可靠的特点；
(3)转子3上的永磁体和励磁绕组11产生的斥力使转子3上浮，同时通过霍尔传感器检测转子3的角度，根据转子3的角度，通过控制三组励磁绕组11的电流，能够相互抵消磁场在转子3上产生的转矩和水平方向的受力，使得轴承励磁不影响电机的转矩控制，不改变电机的原有控制。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (5)
1.一种应用于船舶无轴推进器的磁轴承装置，其特征在于，包括推进器壳体(1)、定子(2)和转子(3)，推进器壳体(1)的侧壁内表面两端固定有两个第一夹紧块(4)，两个第一夹紧块(4)的一端固定有两个第二夹紧块(5)，两个第二夹紧块(5)固定于推进器壳体(1)的两端；
所述定子(2)的两端卡接于两个第一夹紧块(4)之间，定子(2)的侧壁内表面固定有霍尔传感器(8)，定子(2)中部嵌入有转矩线圈(10)，定子(2)的侧壁缠绕固定有三组励磁绕组(11)；
所述转子(3)套设于定子(2)内部，转子(3)的两端面与两个第二夹紧块(5)之间固定有两个轴向水润滑轴承(6)，转子(3)的两端侧壁外表面与两个第二夹紧块(5)之间固定有两个径向水润滑轴承(7)，轴向水润滑轴承(6)和径向水润滑轴承(7)均固定于第二夹紧块(5)上，轴向水润滑轴承(6)和径向水润滑轴承(7)与转子(3)之间有间隙，转子(3)上嵌装有永磁铁，永磁铁与转矩线圈(10)之间有间隙，转子(3)的侧壁内表面均布有若干推动器桨叶(9)。
2.根据权利要求1所述的一种应用于船舶无轴推进器的磁轴承装置，其特征在于，所述推进器壳体(1)包括圆筒体外壳(101)，圆筒体外壳(101)的两端侧壁向内倾斜折弯形成锥形筒壁(102)，锥形筒壁(102)的底端竖直固定有固定筒(103)，第二夹紧块(5)固定于固定筒(103)的底面，并且第二夹紧块(5)与定子(2)的侧壁内表面压紧相接，固定筒(103)和圆筒体外壳(101)同轴心，圆筒体外壳(101)的侧壁内表面两端开有环形固定槽，环形固定槽中固定有第一夹紧块(4)，第一夹紧块(4)与定子(2)的两端压紧相接。
3.根据权利要求2所述的一种应用于船舶无轴推进器的磁轴承装置，其特征在于，所述第一夹紧块(4)包括第一固定圈(401)，第一固定圈(401)与圆筒体外壳(101)同轴心，第一固定圈(401)卡接在固定槽内并通过螺钉固定于固定槽中，第一固定圈(401)的内圈垂直折弯形成第一连接圈(402)，第一连接圈(402)的一端垂直向内折弯形成第二固定圈(403)，定子(2)的两端与第二固定圈(403)的端面夹紧相接。
4.根据权利要求2所述的一种应用于船舶无轴推进器的磁轴承装置，其特征在于，所述第二夹紧块(5)包括第三固定圈(501)，第三固定圈(501)通过螺钉固定于固定筒(103)底面，第三固定圈(501)的外圈垂直折弯形成第四固定圈(502)，第四固定圈(502)与第三固定圈(501)连接处的一端侧壁外表面垂直固定有第五固定圈(503)，定子(2)的侧壁内表面两端与第四固定圈(502)的侧壁外表面夹紧相接。
5.根据权利要求1所述的一种应用于船舶无轴推进器的磁轴承装置，其特征在于，所述三组励磁绕组(11)包括第一励磁绕组(1101)和两个第二励磁绕组(1102)，第一励磁绕组(1101)设置于定子(2)的侧壁正下端，两个第二励磁绕组(1102)位于第一励磁绕组(1101)的两侧，两个第二励磁绕组(1102)设置于定子(2)的侧壁上，同时每个第二励磁绕组(1102)与第一励磁绕组(1101)到定子(2)轴心的圆心角均为60度。
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